Hạt neutrino giúp hiểu thêm về các khối cơ bản của vật chất

Những miêu tả về nữ thần trí tuệ Minerva (Athena) của thần thoại Hy Lạp La Mã cho thấy cô thường xuất hiện trong những chiếc áo choàng sóng sánh sóng lượn, đội chiếc mũ giáp cao quý và một con cú trên tay. Tương phản với miêu tả này, thực nghiệm MINERvA được khắc họa bằng một máy dò hạt rất lớn và mặt trước có viết tên của các nhà khoa học tham gia thực nghiệm.

Máy dò hạt MINERvA

Dẫu sự xuất hiện hoàn toàn khác biệt, thực nghiệm neutrino này cũng có thể đem lại những thông tin sâu sắc cho các nhà khoa học như cái tên nó mang. Trong số những hiểu biết sâu sắc mà nó kỳ vọng sẽ phát hiện ra, các nhà khoa học có thể sử dụng MINERvA để hiểu tốt hơn về kích thước và cấu trúc của các hạt proton, một trong những khối xây dựng cơ bản của các nguyên tử.

MINERvA là một thực nghiệm tán xạ neutrino tại Fermilab của Bộ Năng lượng Mỹ. Các hạt neutrino nhỏ bé, trung hòa về điện tích và có vô số trong vũ trụ. Mặt trời, các ngôi sao và nhiều vật thể vũ trụ khác đã tạo ra chúng sau các phản ứng nguyên tử. Trên thực tế, các hạt neutrino có nhiều trong vũ trụ hơn bất cứ hạt có khối lượng nào khác.

Bất chấp việc hiện diện đầy rẫy trong vũ trụ, chúng ta chưa bao giờ nhận biết được các hạt neutrino bởi vì chúng hiếm khi tương tác với bất cứ thứ gì. Việc nghiên cứu các hạt neutrino vô cùng cần thiết để hiểu về cách vũ trụ của chúng ta được hình thành trong quá khứ và những chức năng của nó trong hiện tại.

Để hiểu sâu sắc hơn hạt cơ bản này, các nhà khoa học đã nghiên cứu cách các hạt neutrino tương tác với các vật chất trong những cơ hội hiếm hoi như chúng có trên thực tế. Sứ mệnh của MINERvA là nắm bắt những tương tác đó.

Chùm tia neutrino mật độ cao đã sử dụng để nghiên cứu về cách chúng tương tác với hạt nhân của năm nguyên tố khác nhau. Bằng việc để các hạt neutrino bắn vào các bia được làm từ các vật liệu khác nhau – nước, helium, carbon, sắt, chì, và nhựa – các nhà khoa học có thể so sánh các phản ứng. Bằng việc vẽ ra các tương tác phác nhau đó, các nhà khoa học sẽ phân tích các kết quả của các thực nghiệm khác như thực nghiệm Neutrino dưới lòng đất sẽ triển khai trong thời gian tới.

Thêm vào mục tiêu này, các nhà khoa học từ nhóm hợp tác MINERvA collaboration phác họa ra việc sử dụng một tính năng khác với dữ liệu của mình – để tìm hiểu về kích thước và cấu trúc của proton.

Cùng với các neutron, các hạt proton tạo thành các hạt nhân của các nguyên tử, những khối cơ bản tạo nên mọi thứ xung quanh chúng ta. Chúng là một trong những khối cơ bản của vật chất mà chúng ta tương tác hằng ngày.

Nhưng việc nghiên cứu các hạt hạ nguyên tử lại vô cùng thách thức hơn việc nghiên cứu những vật thể lớn hơn. Các hạt hạ nguyên tử quá nhỏ để nghiên cứu với các công cụ thông thường như kính hiển vi. Thêm vào đó, “kích thước” của một hạt hạ nguyên tử hoàn toàn không giống với kích thước của một vật thể mà bạn có thể đo đạc với một cái thước kẻ. Thay vào đó, các nhà khoa học nghiên cứu về những lực để giữ hạt proton lại.

Trong quá khứ, các nhà khoa học đã nghiên cứu về kích thước của hạt proton bằng lực điện từ. Điện từ học là một trong bốn lực cơ bản của vũ trụ này. Điện trường, từ trường và thậm chí là ngay cả ánh sáng cũng chịu tác độngcủa lực điện từ. Nó gắn kết các electron với hạt nhân (tạo nên các proton và các neutron) trong nguyên tử. Nó cũng phản hồi một phần với cấu trúc của các hạt nhân.

Để tái hiện kích thước của proton, các nhà khoa học đã sử dụng bán kính điện tích. Đó là bán kính trung bình của điện tích phân bố trong proton. Để đo lường đặc điểm này, các nhà khoa học hướng một chùm electron ở một mức năng lượng cụ thể vào một bia. Các electron bay từ các proton theo nhiều hướng và với nhiều năng lượng khác nhau, trao cho các nhà khoa học thông tin về cấu trúc bên trong của các proton.

Sử dụng kỹ thuật này, các nhà khoa học đã có thể có được một đo đạc chính xác kích thước trung bình của bán kính điện tích của proton đó và do vậy các hạt quark cũng cung cấp điện tích.

Do Tejin Cai (một nghiên cứu sinh tại ĐH Rochester) đề xuất, nhóm hợp tác MINERvA có một cách tiếp cận khác. Ý tưởng này đã từng được sử dụng các hạt phản neutrino – phản hạt song sinh của hạt neutrino – để nghiên cứu các proton.

Bởi vì các hạt neutrino (và các hạt phản neutrino) không tích điện, chúng không thể tương tác thông qua lực điện từ. Thậm chí, các hạt neutrino có thể tương tác thông qua lực yếu trong các proton. Lực yếu và hấp dẫn là hai cách các hạt neutrino tương tác với thứ khác.

Bất chấp tên của mình, lực yếu vô cùng quyền lực. Là một trong số bốn lực cơ bản, nó cho phép quá trình proton chuyển thành các neutron hoặc ngược lại. Các quá trình này được điều hướng bởi những tương tác của mặt trời và các ngôi sao. Các hạt neutrino đưa ra một công cụ độc đáo để nghiên cứu về lực yếu.

Nhưng lực yếu chỉ thực sự tác động khi các hạt ở rất gần nhau. Khi các hạt neutrino bay qua vũ trụ, chúng thông thường chuyển động qua các không gian vô cùng rộng lớn so với không gian giữa các hạt nhân và electron trong một nguyên tử.

Phần lớn thời gian, các hạt neutrino đơn giản là không đủ gần với các proton bởi chúng tương tác thông qua lực yếu. Để có thể thực hiện các phép đo đạc, các nhà khoa học cần bắn một lượng neutrino hoặc phản neutrino tại một cái bia.

Chùm neutrino quyền lực MINERvA và các bia khác nhau tạo thành một cái đích có thể. Trong một thế giới lý tưởng, các nhà khoa học có thể hướng các hạt neutrino tại một cái bia làm bằng các neutron tinh khiết, hoặc các phản neutrino tại một bia làm bằng proton tinh khiết. Theo cách này, các nhà khoa học có thể có được những đo đạc cụ thể nhất. Thật không may, không có một thực nghiệm nào như vậy được thiết lập trong thực tế.

Nhưng MINERvA đã có một điều tốt nhất có thể – một lượng phản neutrino và một bia làm từ polystyrene. Vật liệu này tạo thành Styrofoam, polystyrene được làm từ việc gắn hydro với carbon. Sử dụng bia này, các nhà khoa học có thể có những đo đạc về cách các phản neutrino tương tác với cả hydro và carbon.

Để tách hydro khỏi carbon, các nhà khoa học có một cách tiếp cận tương tự với việc chụp một bức ảnh và sau đó xóa phông nền để cho phép tập trung vào một vài hạng mục cần thiết. Để xác định những tương tác neutrino-carbon “nền” đó, các nhà khoa học nhìn vào các neutron.

Khi các hạt phản neutrino tương tác với các proton trong carbon hoặc với chính proton trong hydro, chúng tạo ra các neutron. Bằng việc dò theo các neutron đó, các nhà khoa học có thể lùi lại để nhận diện và loại bỏ những tương tác carbon-phản neutrino khỏi các tương tác hydro-phản neutrino.

Có được số lượng cần thiết của các tương tác để kiểm tra năng lực của MINERvA. Trong suốt ba năm, các nhà khoa học đã ghi nhận trong một triệu tương tác của phản neutrino với các hạt khác. Khoảng 5.000 trong số đó là tương tác với hydro.

Dữ liệu này cuối cùng cho phép các nhà khoa học tính toán kích thước của proton bằng các hạt neutrino. Thay vì bán kính điện tích, họ tính toán bán kính điện yếu của proton. Lần đầu tiên, các nhà khoa học sử dụng neutrino để có được một đo đạc ý nghĩa về mặt thống kê đặc trưng này.

Tính đến các bất định, kết quả này rất gần với những đo đạc trước về bán kính điện tích của proton. Về cơ bản nó đo đạc sự phân bố không gian của các hạt quark và các gluon tạo thành proton nên giá trị này được chờ đợi có kết quả tương tự.

Kỹ thuật mới trao cho các nhà khoa học một công cụ khác trong nghiên cứu cấu trúc proton. Đó là một minh chứng cho sự khôn ngoan. Khi các nhà khoa học suy nghĩ một cách sáng tạo về việc sử dụng các kết quả thực nghiệm đã có để khám phá ra những vùng mới mẻ của nghiên cứu.

Thanh Nhàn tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2024-05-neutrinos-blocks.html

https://www.energy.gov/science/articles/neutrinos-offer-new-way-investigate-building-blocks-matter

Tác giả